完全可回收的印刷电子产品抛弃了有毒化学物质

杜克大学的工程师生产了世界上第一个完全可回收的印刷电子产品，在制造过程中用水取代了化学品的使用。通过绕过对危险化学品的需求，示范指出了行业可以遵循的道路，以减少其环境足迹和人类健康风险。

这项研究于28月<>日在线发表在《纳米快报》杂志上。

任何电子制造商面临的主要挑战之一是成功地将多层组件相互连接，这对于制造复杂设备至关重要。让这些层粘在一起可能是一个令人沮丧的过程，特别是对于印刷电子产品。

“如果你正在制作花生酱和果冻三明治，那么在两片面包上涂上一层都很容易，”领导这项研究的杜克大学电气和计算机工程Addy教授Aaron Franklin解释说。“但是如果你先把果冻放下，然后试着在上面撒上花生酱，算了，果冻不会留在原地，会与花生酱混合。将图层叠在一起并不像自己放置它们那么容易 - 但如果你想通过打印来构建电子设备，这就是你必须做的。

在之前的工作中，富兰克林和他的团队展示了第一个完全可回收的印刷电子产品。这些设备使用了三种碳基油墨：半导体碳纳米管，导电石墨烯和绝缘纳米纤维素。在试图使原始工艺适应仅使用水的过程中，碳纳米管提出了最大的挑战。

为了制造碳纳米管不会聚集在一起并均匀分布在表面上的水性油墨，添加了类似于洗涤剂的表面活性剂。然而，由此产生的墨水不会产生一层足够密集的碳纳米管，以使高电流的电子穿过。

“你希望碳纳米管看起来像散落在平坦表面上的有牙切的意大利面条，”富兰克林说。“但是使用水性墨水，它们看起来更像是被一个接一个地拿走并扔在墙上以检查熟度。如果我们使用化学品，我们可以一次又一次地打印多次通道，直到有足够的纳米管。但是水不是这样工作的。我们可以做100次，但仍然会有与第一次相同的密度。

这是因为用于防止碳纳米管结块的表面活性剂还可以防止额外的层粘附在第一层上。在传统的制造过程中，这些表面活性剂将使用非常高的温度(这需要大量能量)或刺激性化学物质(可能造成人类和环境健康风险)去除。富兰克林和他的团队希望避免两者兼而有之。

在这篇论文中，富兰克林和他的团队开发了一种循环过程，其中设备用水冲洗，在相对较低的热量下干燥并再次印刷。当油墨中使用的表面活性剂量也被调低时，研究人员表明，他们的油墨和工艺可以创造出功能齐全、完全可回收、完全水基晶体管。

与电阻器或电容器相比，晶体管是一种相对复杂的计算机组件，用于电源控制或逻辑电路和传感器等设备。富兰克林解释说，通过首先展示晶体管，他希望向该领域的其他人发出信号，即有一条可行的途径可以使一些电子制造工艺更加环保。

富兰克林已经证明，印刷中使用的碳纳米管和石墨烯几乎100%可以在同一过程中回收和再利用，损失很少的物质或其性能可行性。由于纳米纤维素是由木材制成的，因此可以像纸一样简单地回收或生物降解。虽然该过程确实使用了大量的水，但它远不如处理传统制造方法中使用的有毒化学物质所需的水。

根据联合国的估计，每年丢弃的数百万磅电子产品中只有不到四分之一被回收利用。随着世界最终升级到6G设备以及物联网(IoT)的不断扩展，问题只会变得更糟。因此，在这个不断增长的电子垃圾堆中可能造成的任何凹痕都很重要。

虽然必须做更多的工作，但富兰克林说，这种方法可以用于制造其他电子元件，如现在社会无处不在的屏幕和显示器。每个电子显示器都有一个薄膜晶体管背板，类似于论文中演示的内容。目前的制造技术是高能的，依赖于危险化学品和有毒气体。整个行业已被美国环境保护署标记为立即关注。

富兰克林说：“我们的薄膜晶体管的性能与目前制造的最佳晶体管不匹配，但它们具有足够的竞争力，可以向研究界表明，我们都应该做更多的工作来使这些工艺更加环保。